變頻調(diào)速在包鋼魚雷罐車電機(jī)上的應(yīng)用

索海英

摘要：本文通過變頻調(diào)速在包鋼薄板廠二煉鋼倒罐脫硫技術(shù)改造中魚雷罐車電機(jī)電氣控制上的應(yīng)用，闡述了變頻調(diào)速的基本理論及變頻器的容量和控制方式的選擇的設(shè)計(jì)過程。

關(guān)鍵詞：魚雷罐車電機(jī)；變頻器調(diào)速原理；設(shè)計(jì)過程

2012年，包鋼薄板廠二煉鋼倒罐脫硫進(jìn)行了技術(shù)改造由混鐵爐供應(yīng)鐵水改為由魚雷罐車供應(yīng)鐵水。原有的以混鐵爐為主的鐵水供應(yīng)方式存在環(huán)境除塵效果差、能耗高、作業(yè)效率低、生產(chǎn)組織復(fù)雜等諸多缺點(diǎn)，已逐漸被各大鋼鐵企業(yè)所淘汰。現(xiàn)階段國家對節(jié)能減排及環(huán)境保護(hù)的要求越來越高，如何降低企業(yè)生產(chǎn)能耗、減少環(huán)境污染成為企業(yè)面臨的巨大難題。必須通過技術(shù)改造來不斷的降低其生產(chǎn)能耗并減少環(huán)境污染。經(jīng)過幾年來運(yùn)行，改造后魚雷罐車供應(yīng)鐵水變頻調(diào)速控制系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)正常，保證薄板廠二煉鋼的正常生產(chǎn)。

1.變頻基本理論

1.1變頻調(diào)速基本原理：[1]

變頻調(diào)速是以變頻器向交流電動(dòng)機(jī)供電，并構(gòu)成開環(huán)或閉環(huán)系統(tǒng)。變頻器是把固定電壓、固定頻率的交流電變換為可調(diào)電壓、可調(diào)頻率的交流電的變換器，變頻調(diào)速是一種高效率、高性能的調(diào)速方式，采用異步電動(dòng)機(jī)（或同步電動(dòng)機(jī)），使其在整個(gè)工作范圍內(nèi)保持在正常的小轉(zhuǎn)差率下運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)無級平滑調(diào)速。

電機(jī)進(jìn)行調(diào)速時(shí)，為保持電動(dòng)機(jī)的磁通恒定，需要對電機(jī)的電壓與頻率進(jìn)行協(xié)調(diào)控制。對此，需要考慮基頻以下和基頻以上兩種情況。基頻是變頻器對電動(dòng)機(jī)進(jìn)行恒轉(zhuǎn)矩控制和恒功率控制的分界線。異步電動(dòng)機(jī)變壓變頻調(diào)速時(shí)，通常在基頻以下采用恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速，基頻以上采用恒功率調(diào)速。

1.基頻以下調(diào)速

在一定調(diào)速范圍內(nèi)維持磁通恒定，在相同的轉(zhuǎn)矩相位角的條件下，如果能夠控制電機(jī)的電流為恒定，即可控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定，稱為恒轉(zhuǎn)矩控制，即電機(jī)在速度變化的動(dòng)態(tài)過程中，具有輸出恒定轉(zhuǎn)矩的能力。由于恒定U1/f1控制能在一定調(diào)速范圍內(nèi)近似維持磁通恒定，因此恒定U1/f1控制屬于恒轉(zhuǎn)矩控制。嚴(yán)格地說，只有控制E1/ f1恒定才能控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩為恒定。

2.基頻以上調(diào)速

當(dāng)電機(jī)的電壓隨著頻率的增加而升高時(shí)，若電機(jī)的電壓已達(dá)到電機(jī)的額定電壓，繼續(xù)增加電壓有可能破壞電機(jī)的絕緣。為此，在電機(jī)達(dá)到額定電壓后，即使頻率增加仍維持電機(jī)電壓不變。這樣，電機(jī)所能輸出的功率由電機(jī)的額定電壓和額定電流的乘積所決定，不隨頻率的變化而變化，具有恒功率特性。

在基頻以上調(diào)速時(shí)，頻率可以從基頻往上增加，但電壓卻不能超過額定電壓，此時(shí)，電機(jī)調(diào)速屬于恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速。電機(jī)在恒轉(zhuǎn)矩調(diào)速時(shí)，磁通與頻率成反比地降低，相當(dāng)于直流電機(jī)弱磁升速的情況。

1.2變頻調(diào)速分類：

變頻調(diào)速分為旋轉(zhuǎn)機(jī)組變頻和靜止變頻裝置變頻。由于旋轉(zhuǎn)變頻機(jī)組變頻設(shè)備龐大，效率較低，性能較差，現(xiàn)已被靜止變頻裝置取代。靜止變頻可分為交-交變頻和交-直-交變頻兩大類。

1.2.1交-交變頻器

該變頻器又稱直接式變頻器或周波變頻器，它直接將電網(wǎng)的交流電變成電壓和頻率都可調(diào)的（簡稱VVVF）交流電輸出。是采用晶閘管作為開關(guān)元件，借助電源電壓進(jìn)行，因此通常其輸出頻率只能在電源頻率的1/3～1/2及以下。這種系統(tǒng)比較適合于大容量的低速傳動(dòng)裝置，例如軋鋼機(jī)主傳動(dòng)。不適合小容量的電機(jī)的變頻調(diào)速。

1.2.2交-直-交變頻器

是先將電網(wǎng)的交流電壓通過整流器變換成直流電壓，再有逆變器將直流電壓變換為頻率可調(diào)的交流電壓，供給交流電動(dòng)機(jī)進(jìn)行變壓及變頻調(diào)速。由于具有將交流整為直流的中間環(huán)節(jié)，輸出頻率不受電網(wǎng)頻率的限制。根據(jù)直流的中間環(huán)節(jié)濾波方法的不同，可分為電流型和電壓型。

1.2.2.1電流型交-直-交變頻器

在直流回路中串以大電感以吸收無功功率，直流電源阻抗較大呈恒流源特性。該變頻器輸出電流接近矩形波，輸出電壓波形由電動(dòng)機(jī)的感應(yīng)電勢決定，因其脈動(dòng)分量由大電感所吸收，故波形接近正弦波。由于直流中間回路電流的方向是不變的，所以不需要設(shè)置反饋二極管。該變頻器被廣泛用于動(dòng)態(tài)要求高單機(jī)傳動(dòng)，如軋鋼機(jī)等高性能的拖動(dòng)系統(tǒng)中，不太適合輥道電機(jī)多臺(tái)電機(jī)同時(shí)拖動(dòng)。

1.2.2.2電壓型交-直-交變頻器

在直流回路并聯(lián)較大的濾波電容以緩沖無功功率，直流電源阻抗很小，呈恒壓源特性。該變頻器輸出電壓接近矩形波，由于負(fù)載回路阻抗較大，電流波形接近正弦波。

2.設(shè)計(jì)過程

2.1魚雷罐車傾翻電機(jī)運(yùn)行特性

魚雷罐車傾翻采用變頻調(diào)速控制方式。魚雷罐車電機(jī)低速運(yùn)行，有較硬的機(jī)械特性。根據(jù)工藝要求可以設(shè)定不同的速度，能夠頻繁正反轉(zhuǎn)，有較高的過載倍數(shù)。魚雷罐車變頻器上電前必須要求緊急停止按鈕處于釋放狀態(tài)，室內(nèi)，室外主令控制器在零位狀態(tài)，在室內(nèi)操作臺(tái)上設(shè)置室內(nèi)與室外操作切換旋轉(zhuǎn)開關(guān)，主令控制器必須在零位才允許切換，在室內(nèi)操作臺(tái)上設(shè)置變頻與直接控制選擇開關(guān)，電機(jī)只是在停止?fàn)顟B(tài)及主令控制器必須在零位才允許切換。緊急停止按鈕按下時(shí)，切斷傾翻動(dòng)力輸出。為防止魚雷罐的誤操作方向旋轉(zhuǎn)將鐵水倒向反方向，在魚雷罐車上安裝2個(gè)檢測開關(guān)，一旦誤操作，魚雷罐反轉(zhuǎn)一個(gè)很小角度（5度），碰到反向的檢測開關(guān)時(shí)，一切運(yùn)行將停止，同時(shí)發(fā)出報(bào)警提示。此時(shí)只能使用一個(gè)專用按鈕與主令控制器配合才能將魚雷罐返回到正確位置，離開檢測開關(guān)后才能向正確方向運(yùn)行。主令控制器包括0～10VDC輸出的線性電位器，用于變頻器對電機(jī)的速度調(diào)節(jié)。它帶有3個(gè)開關(guān)零位，正向，反向，接入PLC中發(fā)出運(yùn)行指令。當(dāng)發(fā)出正向傾翻命令前，除塵排煙閥門必須先打開，變頻電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)，電機(jī)抱閘必須打開。當(dāng)傾翻結(jié)束后，相應(yīng)除塵排煙閥關(guān)閥，電機(jī)散熱風(fēng)機(jī)停機(jī)，電機(jī)抱閘。當(dāng)變頻器出現(xiàn)故障或在直接運(yùn)行中熱繼電器動(dòng)作時(shí)，運(yùn)行停止，并有報(bào)警指示燈顯示，當(dāng)控制電源故障或有自動(dòng)開關(guān)跳閘時(shí)，在工作站上應(yīng)有報(bào)警顯示。

2.2 6SE70型變頻器根據(jù)魚雷罐車電機(jī)的運(yùn)行特性，又結(jié)合變頻調(diào)速基本理論我們選擇性價(jià)比較高的SIEMENS公司的6SE70裝機(jī)裝柜型變頻器。該變頻器屬于上文所述的電壓型交-直-交變頻器的一種。

該變頻器有較高電流過載倍數(shù)，最大過載電流在300s周期內(nèi)允許達(dá)到額定電流的1.36倍，可持續(xù)60s。1.6過載可持續(xù)30s。根據(jù)負(fù)載情況需要過載時(shí)，必須使其基本負(fù)載電流僅為額定電流的91%。

2.3系統(tǒng)部分

薄板廠二煉鋼魚雷罐車電機(jī)變頻器供電方式由一段母線帶多個(gè)變頻器，1臺(tái)變頻器帶1臺(tái)魚雷罐車2臺(tái)電機(jī)。

3.結(jié)束語

交流調(diào)速應(yīng)用了變頻器在魚雷罐車電機(jī)的控制，雖然投資較大，但它為薄板廠二煉鋼的可靠生產(chǎn)的確帶來了保障，為以后的維護(hù)檢修帶來了極大的方便。全數(shù)字交流變頻器有良好的計(jì)算機(jī)通訊功能，也為以后魚雷罐車電機(jī)適用更新的工藝要求打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)

[1]胡幸鳴 . 電機(jī)及電力拖動(dòng).北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2002.6

[2]陳延鏢 . 鋼鐵企業(yè)電力設(shè)計(jì)手冊.北京：冶金工業(yè)出版社，1996.1

（作者單位：包鋼西創(chuàng)設(shè)計(jì)研究院）